利用PN结温度特性测试仪测量玻尔兹曼常数

零，并满足此时若升温，ΔV 为负，若降温 ΔV 为正，说明正向压降随温
度升高而下降。另一组基准电源用于 AD590 模块的温标转换和校准，
因本实验采用 AD590（美国产的系列产品）恒流源温度传感器测温，其
输出电流正比于绝对温度，由于输入模块需要电压信号，在模块中串联
一个的电阻，把恒流源转化为恒压源输出，对应输出电压为正比于绝对
器装在中心管的支座下，测试仪由恒流源、基准电源和显示等单元组
成。恒流源有两组 ，其中一组提供正向电流，电流输出范围为0~1000μA
连续可调，另一组用于加热，为控温电流，分为十档 0.1，0.2，0.3…1A。基
准电源亦分两组，一组用于补偿被测 PN 结在 0℃或室温时的正向压
降，ΔV 可通过设置在面板上的“ΔV 调零”电位器调节，若初始 ΔV 为
4、改进教学方法，注重师生互动 笔者在教学过程中努力做到调动学生情绪，加强教学互动。在授课 过程中当讲到比较抽象、枯燥而又重要的内容时，可以通过生活化的实 例进行比拟，这样学生可以直观的掌握知识点。比如，在讲解缓存 cache 时，我们可以把计算机想象成一辆汽车，内存比喻成汽车后备箱，而 cache 比喻成驾驶员身边的杂物箱。从杂物箱取物品会更简单，而到后 备箱取物品会相对耗费时间，杂物箱越大，可以放置的物品就越多，可 以随手处理的事情就越多。利用这样的比拟手法，可以加深学生对抽象 概念的理解和掌握，教学效果比较理想。 同时，在教学过程中笔者坚持借助多种媒体，调动学生兴趣。利用 传统教学和多媒体教学相结合，板书和多媒体课件、flash 动画想结合， 通过视觉、听觉等多种感官刺激，将抽象概念直观的传授给学生。例如， 我们为了帮助学生消除课程畏难情绪，树立学好微机原理课程的信心， 在第一次课中，利用 flash 动画，直观的展示简化了计算机模型的指令 执行过程及工作原理，使得学生对计算机的工作过程有形象而具体的 认识，打消帮助学生建立起学好本课程的信心。 总之，微机原理这门课程的特点是理论性和实践性很强，教学内容 多，更新快，教学难度大。这就要求教师加强自身专业水平和素养的培 养，不断改进和完善教学方法与手段，努力提高教学质量和学生的综合 能力，培养真正适合于社会需求的人才。
在讲授基本理论、基础知识的同时，我们还注重补充新的信息和新 的技术，做到课程内容“与时俱进、吐故纳新”。我们也将现代微机系统 中具有代表性的新技术合理引入到教学中来。笔者在课程中介绍了英 特尔高性能微处理器的 Cache、超标量流水、虚拟存储器、分支预测、PCI 总线和多核处理器等技术,不仅开阔了学生的视野,也为他们以后的学 习和研究作了铺垫。
（上接第 506 页）
K=
e bT
=
1.602×10- 22 3.879×10- 2(273.2+24.7)
=1.388×10-
23(J/K)
与理论值 1.381×10-23(J/K)比较，相对误差为 0.6％。误差主要由温度
校准时的误差产生，由于温度校准采用水银温度计，所以误差较大±0.5℃。
如果在一个大气压下采用冰水混合物（0℃）对 PN 结进行温度校准，就
IF=ISexp(
VF VT
)
（3）
本实验就是利用 PN 结正向压降温度特性测试仪，测量出 PN结正
向压降与正向电流，并记录下 PN结的温度。利用 Excel 对正向电流 IF
（作为纵坐标 y）与正向压降 V（F 作为横坐标 x）数据做指数拟合，若拟合
曲线方程为
y=aexp(bx)
（4）
与公式（1）、（2）比较可知：
转换成摄氏温标，则对应于 - 55℃~+150℃的工作温区内，输出电压输
为 - 55mV~+150mV 给显示单元的电压为采用量程为±200mV 的三位半
显示器进行温度测量，另一组量程为±1000mV 的显示器用于测量 IF，VF
和 ΔV，可通过“测量选择 ”开关来切换显示。
— 506 —
3.2 PN 结正向压降与正向电流的测量 对 TH- J 型 PN 结正向压降温度特性测试仪的温度利用水银温度 计进行校准。由于室温相对稳定，而加控温电流后温度持续上升，因此， 将控温电流档位设置为关，PN 结温度保持在室温（24.7℃），改变正向电 流，测量对应的正向电压。正向电流 IF 范围从 1 微安到测量到 1000 微 安。当正向电流 IF 在 1 到 30 微安范围内，电压变化较大，因此每一微安 测量一次电压，而从 30 微安到 1000 微安电压变化较小，因此每十微安 测量一次电压。下表 1 为 PN 结电压电流数据，由于篇幅限制，只列出正 向电流 IF 在 1 微安到测量到 120 微安的数据。
能减少误差。
4.结论
利用 PN 结正向压降温度特性测试仪，不仅验证了 PN 结正向电流
与正向压降的指数关系，还利用 Excel 对数据进行曲线拟合比较得到出
玻尔兹曼常数 K。该实验既可以作为 PN 结正向压降与温度关系研究实
需要掌握的知识是微机系统中最基本、带有共性的内容,是教师通 过研究课程知识体系,探索其内在规律与联系整合出的课程核心知识单 元。本课程可划分为以下四个核心知识单元: 分别是微型计算机的基本 组成与工作原理、指令系统与汇编语言程序设计、存储器原理与结构、 I/O 接口技术。在教学实践中,笔者贯彻基础是根本的原则,选择英特尔 8086 CPU 为微处理器部分主要内容,详细讲解其 BIU 和 EU 架构、管脚 信号、总线时序、指令系统、分段技术及流水线技术等;I/O 接口部分以并 行接口、串行接口和定时器 / 计数器接口为例,重点讲解 I/O 接口的基本 原理及典型电路。这种内容组织有利于学生对微机基本原理的学习,避 免纠缠于高端 CPU 等一些技术细节中,冲淡基础知识的学习。
IF=IS[exp(eVF/KT)- 1]
（1）
其中 e 为电子电量 ，K 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度、IS 为反向
饱和电流。由于 exp(eVF/KT) 1 则正向电流 IF 与正向压降 VF 关系可以近 似为[1~5]
IF=ISexp(eVF/KT)
（2）
若设温度电压当量 VT=kT/e，则正向电流 IF 与正向压降 VF 可以表 示为[5]
［摘 要］本文论述了目前高校微机原理课程教学过程中存在的问题，并且有针对性的提出课程教学改革的方向，就如何提高教学效 果、培养学生的应用能力，提出了一些切实可行的探索方法，力争提高微机原理课程的教学质量和教学效果。 ［关键词］微机原理及应用 教学改革 应用能力
微机原理及应用（以下简称微机原理）主要讲授微型计算机的基本 组成、工作原理及典型的接口技术,通过理论和实践环节，要求学生掌握 微机的内部结构和基本工作原理,掌握 80x86 系列微处理器的指令系统 及汇编语言程序设计的基本方法，掌握 CPU 的中断机制及常用的一些 接口芯片和接口技术，目标是使学生能够综合运用软、硬件技术分析和 解决实际问题。该课程是高等学校自动化专业、电气专业、通信专业等 电类专业的专业基础课,课程的教学质量对于相关专业的人才培养和后 续课程建设影响很大。笔者在多年的课程教学实践过程中发现本课程 在教学过程中存在一些不足，并对课程改革进行了分析和探讨。
1.引言
基本物理常数如电子电量 e、电子荷质比 e/m、普朗克常数物理 h、
光速 c 等的测量，在实验物理发展过程中具有重要地位。利用 PN 结正
向压降温度特性测试仪测试出 PN 结正向压降与电流，再进行数据拟合
并计算出玻尔兹曼常数 K。
2.实验原理
对于一个理想 PN 结，正向电流 IF 与正向压降 VF 存在如下关系：
一、当前教学面临的主要问题和任务 笔者在多年的课程教学实践中发现，微机原理课程在教学过程中 逐步出现一些问题。首先，因为课程涉及的知识点多，分散，并且很多内 容枯燥、难理解，学生在学习过程中会感到枯燥，产生畏难情绪，甚至在 学生中有“微机原理很危机，汇编语言不会编”的一些说法，学生也反映 课程能够听懂教师讲解，但是课后作业无从下手；其次，传统的教学模 式和方法，在课程知识点的讲授过程中，不注重教学艺术和方法，使得 课堂气氛不够活跃，授课效果不好；最后，课时与内容之间的矛盾，由于 信息科学的不断发展,本科生课程体系也在不断改革，课程数目越来越 多,每门课程的课时减少。济南大学微机原理课程的授课学时已由原来 的 72 学时减少到现在的 54 学时，但该课程的特点却是信息量大、教学 内容多,于是出现了课程内容多而课时少的矛盾。 二、在教学实践中的改革方向 在认清微机原理课程教学现在存在的问题基础上，笔者深深地体 会到，要搞好本课程教学，必须对师资队伍、教学理念、教学内容、教学 方法等进行改革。 1、培养责任心强、高素质的教师队伍 高素质的师资队伍建设将是今后微机原理及应用课程建设与改革 的关键。微机原理是一门理论性和实践性都极强的课程，同时计算机技 术的发展和更新换代十分迅速，这就要求主讲教师应该注重自身的不 断学习，不断提高自身的业务水平，只有这样，才能适应在新形势下对 课程授课教师的要求。 2、转变教学理念 重在引导 在教学过程中，要始终坚持教师的主导作用和学生的主体作用。不 断转变教学理念，使教师的主导作用和学生的主体作用在教学过程中 达到和谐统一。首先，教师应该把学生带到知识殿堂的门口，引导学生 入门；其次，授之以鱼不如授之以渔，教师应该把主要任务放到教给学 生学习的方法上来，把重点放在学生分析问题、解决问题的能力和创新 精神的培养上；最后使学生从被动的知识接受者转到做学习的主人上 来。在教学过程中不搞“题海战术”，而是把理论教学与实践教学紧密结 合，把课堂教学与第二课堂紧密结合，从而提高教学效果和教育质量。 3、优化课程体系，精选课程内容 笔者采取“重点讲授、引导自学”的教学方法,将教学内容分为掌握 和了解两种要求。需要掌握的部分是教学的重点知识,教师在课堂上会 仔细讲解、详细剖析;对需要了解的内容,教师只给出引导思路和概括总 结,详细内容需要学生课外自学完成。
渤海大学学报自然科学版第26微机原理及应用以下简称微机原理主要讲授微型计算机的基本组成工作原理及典型的接口技术通过理论和实践环节要求学生掌握微机的内部结构和基本工作原理掌握80x86系列微处理器的指令系统及汇编语言程序设计的基本方法掌握cpu的中断机制及常用的一些接口芯片和接口技术目标是使学生能够综合运用软硬件技术分析和解决实际问题
温度，因为它的工作温度范围为 218.2K~423.2K 即 - 55℃~+150℃，所以
相应输出电压 218.2mV ~423.2mV。该组合仪配置三位半的显示器模块
相连，为了简化电路而又保持测量精度，设置了一组的 273.2mV 的基准
电压（相当于在 0℃时该电路输出的电压），其目的是将上述的绝对温标
旋紧保持密封，具有一定的保温作用。待测 PN 结样管采用晶体管
3DG6，由于 3DG 系列三极管为 NPN 型硅管，其基极 b 与集电极 c 短接
作为正极，发射极 e 作为负极，以发射结作为 PN 结，PN 结和测温元件
均置于铜座上，其管脚通过高温导线分别穿过两旁空芯细管与项部插座
连接，再通过信号传输线将被测结的温度和电压信号输入测试仪，加热
表 1 PN 结正向压降与正向电流
电压 （mV）
520
538
548
551
560
564
567
571
574
577
电流 （μA）
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10
电压 （mV）
580
580
583
585
587
588
591
591
594
594
电流 （μA）
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
电压 （m
598
599
600
601
602
603
604
电流 （μA）
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
电压 （mV）
612
618
622
627
630
633
636
636
638
640
电流 （μA）
40
50
60
70
80
90 100 100 110 120
3.3 曲线拟合与玻尔兹曼常数 K 的计算 利用电子表格 Excel 对正向电流 IF 与正向压降 VF 数据做指数拟 合，如图 1 所示：
科技信息
高校理科研究
利用 PN 结温度特性测试仪测量玻尔兹曼常数
陕西理工学院物理系 徐 兵 陕西理工学院计算机系 李春玲
［摘 要］本文利用 PN 结正向压降温度特性测试仪，测量了 PN 结电压电流特性。验证了 PN 结电压与电流的指数关系，并利用 Excel 进行曲线拟合，再计算出玻尔兹曼常数。 ［关键词］PN 结 玻尔兹曼常数 Excel 指数拟合
IS=a
（5）
VT=1/b
（6）
K= e bT
（7）
3.实验仪器与实验内容
3.1 TH－J 型 PN 结正向压降温度特性测试仪
TH－J 型 PN 结正向压降温度特性测试仪为电学、热学及传感器综
合实验设备。该组合仪由样品室和测试仪两部分组成。样品室是一个可
卸的筒状金属容器，筒盖内设橡皮圈盖与简套具相应的螺纹，可使两者
图 1 PN 结正向压降与电流关系曲线拟合 由该拟合曲线与公式（2）~（6）可知： VT=1/b=1/3.8791×10- 2=25.8mV 与 23℃时的温度电压当量 VT 26mV 非常接近， （下转第 507 页）
科技信息
高校理科研究
浅谈微机原理及应用课程教学改革
济南大学控制科学与工程学院 杨立洁 景绍洪 李 聪